[发明专利]一种硅复合材料及其制备和应用

说明书

一种硅复合材料包括硅和至少一种元素，硅与元素的质量比例的范围为10：1—2：1，元素原子半径大于硅的原子半径且小于钫的原子半径，硅原子可以承载锂离子，硅复合材料是以元素掺杂方式修饰硅，该掺杂方式扩大了锂离子迁移，使锂离子迁移的更加方便迅速，极大地降低了锂离子在硅复合材料里的残留量，从而提高首圈库伦效率高达94.1％，获得高容量，长寿命的锂离子电池。

技术领域

本发明涉及一种硅复合材料及其制备和应用，特别涉及硅复合材料作为高库伦效率锂离子电池材料的应用。

背景技术

硅是一种电池负极，每个硅原子可以承载约四个锂原子。这种锂化机制由于大量锂原子的嵌入而导致巨大的体积变化。从Si转换到Li_4.4Si时，体积膨胀约为420％。锂嵌入/脱出过程中的这种大的体积膨胀/收缩导致大的应力，从而会导致Si的破裂和粉碎，导致电接触的损失和容量的衰减。为了解决材料粉化问题，研究者硅纳米线可以承受大应变而不粉碎从而绕过这个问题。过去的文章报道中通过研究单个球形Si纳米颗粒锂化行为发现了断裂是具有尺寸依赖性的，还发现了临界粒径(≈150nm)。当颗粒的直径低于这个值的时候，颗粒初始锂化时不会发生破裂。当颗粒直径高于此值时，颗粒将首先形成表面裂纹，然后由于锂化诱导的应力而断裂。尽管纳米尺寸的硅已经有效解决了粉化问题而获得长循环性能，但纳米硅的超大的比表面积使得大量固态电解质层(SEI)的形成导致低初始库仑效应，从而导致不可逆的容量损失。目前学术界多采用包覆的方法，专利CN 106058257 A公开了一种石墨烯包覆硅碳复合电极的制备方法，为解决硅碳复合材料和由其制备的锂离子电池在充电放电循环过程中的体积膨胀而引起的容量快速衰减问题，专利CN 108695505 A公开了一种通过硅锰合金和碳网络共同包覆的纳米硅负极材料，使导电性和机械强度提高，电池中电极/电解液界面和电化学循环更加稳定。虽然包覆的方法在一定程度上减小了由于材料与电解液界面的不稳定性产生的高不可逆容量，另一方面，也增加了工艺的复杂性。当包覆材料为无定型结构时，还可能会影响整体电极的嵌锂性能，从而弱化硅的高容量特性。同时，过去的工作都忽略了锂残留在硅里导致库伦效率的降低，因此我们应将注意力转移到如何将锂离子迅速大量的脱离出来。

发明内容

为了解决硅负极在工作循环中脱锂离子的时候会有一部分锂离子残留在硅负极里脱不出来，进一步导致锂的损耗，降低了库伦效率的问题，本发明提供一种新型的硅复合材料，通过将硅和元素掺杂，扩大锂离子的迁移通道，从而提高锂离子在负极里的迁移速度，极大地降低了锂离子在硅电池负极里的残留量，从而极大地提高首圈库伦效率，获得高容量，长寿命的锂离子电池。

本发明提供一种硅复合材料，所述硅复合材料包括硅和至少一种原子半径大于硅且小于钫的元素，所述硅与元素质量比例的范围为10：1—2：1。

优选的，所述元素为元素周期表中不包括镍、汞、碳、硅、磷、氮以及放射性元素的IA族，VIII10族、IIB族、IVA族、VA族元素。

优选的，所述元素为锗，锡，砷，锌中的一种或多种。

优选的，所述元素为锗，所述硅与锗的质量比为7:1、1:1、1:7。

一种硅复合材料的制备方法，所述硅复合材料的制备方法包括球磨法、激光刻蚀法、化学合成法、物理气相沉积法、高温烧结法等任何类似机理方法，所述硅复合材料由硅和元素掺杂而成。

优选的，所述硅复合材料球磨法的步骤如下：

(1)混合块状硅和元素，进行球磨，得到混合粉末；

(2)清洗酸处理后的混合粉末，再离心得到硅复合材料。

优选的，所述步骤(1)和步骤(2)之间可增加对混合粉末进行酸处理，使用的酸不与元素发生化学反应，仅除去混合粉末表面的二氧化硅；

一种硅复合材料应用于硅电池负极。